في حين أن العيوب تتشكل بسهولة في معظم المواد ويتطلب التخلص منها الكثير من الجهد، فإن العكس هو الصحيح في البيروفسكايت الهاليد
إن "الفوضى" أسهل بكثير من استعادة النظام، ولكن اتضح أنه حتى هذه القاعدة لها استثناءات. وفي دراسة نشرت في المجلة العلمية Materials Horizons، أظهر علماء معهد وايزمان للعلوم أنه في المواد المعروفة باسم البيروفسكايت الهاليد، من الأسهل في الواقع استعادة النظام بدلاً من تعطيله. قد يفسر هذا الاكتشاف الخصائص الفريدة لهذه المواد التي تعتبر الوعد الكبير في مجال الطاقة الشمسية، ويساعد في تطوير نهج جديد للتحكم في خصائص هذه المواد وغيرها.
أصبحت هاليد البيروفسكايت "نجاحا" في أبحاث الطاقة الشمسية منذ أن تم اكتشافها قبل حوالي عقد من الزمن أنها فعالة بشكل غير عادي في تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء. ومع ذلك، فإن العديد من خصائص أشباه الموصلات هذه، والتي يمكنها الجمع بين المكونات العضوية وغير العضوية، لا تزال لغزا. على سبيل المثال، ليس من الواضح كيف تحتوي على عيب واحد لكل تريليون ذرة - أقل بمليون مرة من أشباه الموصلات "العادية" (قد تكون هذه العيوب وجود ذرات غريبة أو اضطرابات في البنية الذرية للمادة نفسها). للوصول إلى هذا التركيز المنخفض من العيوب في أشباه الموصلات المستخدمة اليوم في صناعة الإلكترونيات، يتطلب الأمر استثمارًا ضخمًا في الطاقة والوقت والإبداع. في المقابل، يمكن إنتاج البيروفسكايت الهاليد النظيف في جزء من الثانية عن طريق خلط محاليل بسيطة من الأملاح الكيميائية في درجة حرارة الغرفة.
من اليمين: البروفيسور إيجور لوبوميرسكي والبروفيسور ديفيد خان. الشفاء الذاتي
يقول البروفيسور ديفيد كاهان من قسم المواد والأسطح، الذي قاد البحث مع الدكتور يفغيني راكيتا، الذي كان طالبه البحثي في ذلك الوقت: "لقد بدا غريبًا بالنسبة لي أنه يمكن إنشاء مثل هذه المواد النظيفة في ظل هذه الظروف المواتية". ومع زميله في القسم البروفيسور إيجور لوبوميرسكي . "يبدو كما لو أن هذه المادة خلقت دون عيوب، أو أنها "تطرد" العيوب أثناء تكوينها".
ولحل لغز العيوب، قام العلماء بفحص نتائج التجارب السابقة التي أجريت في مختبر البروفيسور كان وفي مختبرات أخرى حول العالم - تجارب بحثت في تكوين البيروفسكايت الهاليدية وظهور العيوب في هذه المواد وتأثيرها. من العيوب في تدفق الإلكترونات. وقام العلماء بتحليل البيانات باستخدام المبادئ الأساسية للديناميكا الحرارية التي تم تدريسها في الدورات التمهيدية للطلاب.
أدى التحليل إلى نتيجة مفاجئة: في حين أن العيوب تتشكل بسهولة في معظم المواد، والقضاء عليها هو الأمر الذي يتطلب الكثير من الجهد، فإن العكس هو الصحيح في بيروفسكايت الهاليد. ومن أجل الحفاظ على العيوب الموجودة في هذه المواد، يجب تشويه الروابط المرنة بين الذرات التي تحمل المادة - وبالتالي فإن هذا الإجراء يتطلب طاقة أكبر من استعادة النظام. يقول البروفيسور خان: "قد يكون الأمر غير بديهي، لكن إنشاء نسخة فوضوية من هذه المواد يتطلب طاقة أكبر من إنشاء نسخة نظيفة ومنظمة".
وبسبب فجوة الطاقة هذه، فإن العيوب التي تتشكل أثناء تكوين البيروفسكايت الهاليد تختفي ببساطة وتسمح للبلورة بالتشكل. أي أن عملية التبلور تكون مصحوبة بالشفاء الذاتي المستمر. يقول البروفيسور لوبوميرسكي: "تختفي العيوب على الفور تقريبًا، وبسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها، لذلك تبدو لنا المادة مثالية تقريبًا من حيث نظامها الداخلي".
تفتح هذه الرؤية الباب أمام بحث غير تقليدي عن مواد ذات معدل عيوب منخفض وقدرة على الشفاء الذاتي - وهي خصائص مرغوبة بشكل خاص في الصناعة الكهروضوئية، والتي يمكنها تقدير العمر الافتراضي لمختلف المواد والأجهزة وتصنيعها. التنمية أكثر جدوى واستدامة. إن فهم الظروف التي تتيح انخفاض معدل الخلل في بيروفسكايت الهاليد قد يؤدي أيضًا إلى طرق للوصول إلى معدل العيب الأمثل - مرتفعًا أو منخفضًا - في المواد الأخرى. على سبيل المثال، في حين أن معدل العيوب المنخفض قد يسمح بالتدفق الأمثل للإلكترونات في شبه الموصل، فإن التركيز العالي للعيوب قد يكون مفيدًا في مواد أخرى - على سبيل المثال، من أجل تقوية المعادن أو ضمان مقاومة شدة التيار العالية في الموصلات الفائقة.
تعليقات 5
هل يمكن أن تكون الإشارة إلى الطاقة الحرة بدلاً من الطاقة؟
شيق جدا
المقال مثير للاهتمام. لا توجد نظرية سائلة فريمي، أو فيزياء المادة المكثفة.
هل يمكن لفهم أعمق للعملية أن يخلق الطريق المختصر إلى الخلود أيضًا؟
إذا تمت استعادة مثل هذه العمليات في الأنسجة العاطفية؟
هل هذا يعني أن الإنتروبيا في هذه المواد تميل إلى التناقص وعدم الزيادة مع مرور الوقت؟